موسوعة العناصر الكيميائية

[سيد عثمان]

استخدامات مذهلةتساءل العلماء: عندما نحصل على كرات باكي، ما الذي سوف نفعله بها؟.

إن الطرقالكيميائية تصل إلى الحلول ببطء شديد، ومع ذلك فقد حققت العبقرية الكيميائية نجاحاسريعا فيما يتعلق باستخدامات جزيء الكربون العملاق ك- 60، إذ اتضح أنه مستقر تماماومقاوم للنشاط الإشعاعي، والتآكل الكيميائي، ويتقبل الإلكترونات بشراهة ولكنه لايمانع في إطلاقها، كما أن له صفات كهربية عجيبة.

وبعد دراسة هذهالخصائص الفريدة لكرات باكي، أخذ العلماء يطلقون لأفكارهم وتصوراتهم العنان لبعضالتطبيقات، مثل قيامها بنقل النظائر المشعة إلى داخل الجسم البشري بهدف تشخيصالحالات المرضية أو نقل الهرمونات أو أي عقاقير لعلاج بعض الأمراض، وأحد الأفكارالمطروحة للعلاج بالمواد المقاومة للأورام السرطانية، هي إدخال نظائر مشعة في كراتباكي، حيث يعمل الحاجز الكربوني على حفظ سلامة هذه النظائر بعد حقن مريض السرطانبها.

كما يمكن تصميم بطارية فائقة القوة وخفيفة الوزن، وذلك بتغليفذرات عنصر الليثيوم والفلور (التي تُولّد طاقة عند اجتماعهما معا) داخل قفص جزيء ك- 60، لحمايتها من تأثير الأكسوجين الجوي عليها، وإذا أمكن ربط سلسلة من كرات باكيمعا، فإنها تشكل الأساس لأنواع جديدة من اللدائن الصناعية ذات خصائصمتفردة.

ووجد العلماء حديثا طريقة لاستخدام هذه الجزيئات الكربونيةالضخمة، كأقفاص لاقتناص ذرات بعض العناصر- كالهليوم- ومن ثم تستخدم كمتتبعاتكيميائية رائعة، لمراقبة انتشار المواد الملوثة من نقطة تفريغها في أحد الأنهار. ويمكن الكشف عن أي مقادير ضئيلة جدا من الهليوم، لأنه لا يوجد حولنا في الجو مركباتمنه. وعلى سبيل المثال إذا أذيب مليجرام من الهليوم في حوض سباحة، وقُلّب جيدا،فيمكن الكشف عن ذرات الهليوم وكرات باكي، في نقطة واحدة من الماء. وتعتبر كرات باكيوالهليوم أكثر ملاءمة للاستخدام من المتتبعات المشعة التي تستعمل في الوقتالحاضر.

وفي إحدى التجارب على جزيئات ك- 60، تم إطلاقها داخل جدارمن الصلب الذي لا يصدأ بسرعة تبلغ 24 ألف كيلو متر في الساعة، فارتدت إلى الخلف دونأن يصيبها ضرر، ومن ثم اتضح أنها مرنة أكثر من أي جزيئات أخرى معروفة حتى الوقتالحاضر. وهذه الخاصية تجعلها صالحة لاستخدامها وقوداً للصواريخ ومركبات الفضاء، حيثيمكنها أن تتحمل ضغوطا هائلة.

ويخطو علماء فيزياء الجوامد خطواتكبيرة لا تقل أهمية. فقد وجدوا أن المواد الصلبة المكونة من كرات باكي، تتميز بخواصمدهشة فعندما تتبلور هذه الجزيئات العملاقة، فإنها تندمج مع بعضها البعض، وتصبح مثلكومة من البرتقال لدى بائع الفاكهة، وترتبط جزيئات ك- 60 ببعضها بقوى ضعيفة مثل تلكالتي بين طبقات الجرافيت.

وأي كتلة من كرات باكي يمكن ضغطها إلى 70% من حجمها الأصلي عند ضغط يبلغ ثلاثة آلاف ضغط جوي، وعندما يرفع عنها هذا الضغطفإنها ترتد إلى شكلها العادي، لكنها إذا ضغطت بقوة تجاه بعضها البعض، فإن ذراتالكربون في الكرات المتجاورة تبدأ في التنافر بشدة فيما بينها، وتصبح المادة شديدةالصلادة كالألماس. وإذا ازداد الضغط بسرعة وبقوة هائلة، فإن كرات باكي تتحول إلىألماس بالفعل، وهذا التحول يمكن أن يكون مهما في الأغراض الصناعية.

والقوى الكيميائية الضعيفة بين كرات باكي، هي أكبر نقطة ضعف فيها. إذ يمكن تمزيقهذه القوى بالحرارة العالية، فعند درجة حرارة تبلغ ثلاثمائة درجة مئوية أو نحو ذلك،تبدأ الكتلة الصلبة من كرات باكي في "التبخر"، ومن ثم لا يمكن استخدامها كموادتشحيم - كالجرافيت- إذ لابد أن تتحمل درجات حرارة مرتفعة.

وقد اتضحأنه لو وضعت بعض ذرات من عناصر أخرى بين كرات باكي ثم خفضت درجة الحرارة جدا، فإنشيئا غريبا سوف يحدث، إذ وجد العلماء أن تبريد خليط من كرات باكي والبوتاسيوم إلى 255 درجة مئوية تحت الصفر، يجعله موصلال فائقا Super conductor أي أن التيارالكهربائي يمر خلاله بدون أي مقاومة أو فقد للطاقة. ويمكن تشبيه هذا الخليط من ك - 60 والبوتاسيوم (أو أي مواد أخرى)، بأن بائع الفاكهة الفنان قد "حشر" بعض المشمش فيالفراغات التي بين كوم البرتقال لديه.

[سيد عثمان]

آفاق المستقبللاشكأن المستقبل يحمل بين طياته الكثير من الاحتمالات الجديدة المثيرة، سواء من حيثالمعرفة العلمية الأساسية أو من حيث الاستخدامات التكنولوجية للجزيء العملاق ك - 60.

إن العلماء منبهرون بإمكانات الفلورينات عموما، وأثناء دهشتهميتحدث بعضهم عن التطبيقات المستقبلية، ومنها استخدام الأخ الأكبر الأقل انتظامالكرات باكي، وهو الجزيء ك- 70. إذ اتضح أن وضع طبقة رقيقة من هذه الجزيئات على سطحمن السليكون، وتعريضها لغازي الميثان والهيدروجين الساخنين، يزيد من تحفيز نمو طبقةمن الألماس، بمعدل ملايين المرات. ومثل هذه الطبقة الألماسية تصلّد أسطح العددوالأدوات أو تستخدم في عزل الدوائر الإلكترونية الدقيقة عن بعضها البعض، ومن الممكنأيضا صنع الألماس من الفلورينات مباشرة وإن لم يتحقق هذا عمليا حتى الآن.

وإذا أضيف ك- 60 وك - 70 إلى البوليمر (سلسلة طويلة من الجزيئات المتكررة) المناسب، يمكن تكوين مادة ذات موصلية ضوئية أي أنها توصل الكهرباء فقط عندما تتعرضإلى ضوء، وتستخدم في أجهزة إنتاج الصور الإلكترونية. وبالنسبة للفلورينات الكبيرةيمكن إنتاج موصلات ضوئية منها تعمل في مجال الأشعـة تحت الحمراء من الطيف، وهذا أمرلم يكن ممكنا من قبل.

ونظرا لمرونة جزيء ك- 60، يرى بعض العلماء أنله دوراً أساسيا في تكوين المادة، فإذا كانت هذه الجزيئات قد تشكلت منذ آلافالملايين من السنين في داخل نجوم العمالقة الحمر، ونظـرا لكبر حجمها بما يكفي لجمعالجسيمات الصغيرة في أثناء الاصطدامات بينها، فلعلها كانت الأنوية الأولية التيتجمعت حولها الجسيمات الدقيقة الصلبة، الغبار الكوني المنتشر بين النجوم، فتكونتالصخور والكويكبات ثم الكواكب ذاتها.

كما يمكن استخدام الفلوريناتعموما كأوعية لحفظ المواد التي تتفاعل بشدة مع بخار الماء والأكسوجين وتنحل فيالهواء، وكذلك تستعمل للاتحاد مع العناصر الخاملة جداً - التي لا تتفاعل مع أيعناصر أخرى- وأيضا في تجميعها وحمايتها، إذ يجد الكيميائيون صعوبة في الإمساك بهذهالعناصر الخاملة.

ونظرا للتقدم المستمر في أبحاث الجزيء العجيب - 60، فإن هذا المجال ينبىء عن توقعات مدهشة، والأمر الوحيد الذي يتفق عليه جميعالخبراء هو أن معظم ما هو معروف في الوقت الحاضر من استخدامات فريدة لهذا الجزيءالسحري، سوف يصبح متقادما بعد عدة أشهر، وهذا هو النوع الفعلي من المواقف التي تجعلالعلم مفيدا، وفي نفس الوقت سببا للمتعة والبهجة، إذ إنه يبشر بالأمل فيالمستقبل. الكربون هو أحد أكثر العناصر الكيميائية شيوعاً ، وهو يشكل العمود الفقري لمعظمالجزيئات الهامة للحياة ، مثل الـ DNA والبروتينات وأنواع النفط . تبرز الخاصيةالفريدة للكربون قدرته على تكوين روابط ثابتة مع نفسه ، بينما تفضل معظم العناصرعمل روابط مع عناصر مختلفة عنها .

ولذا فإنه قد يكون من المدهش ادراك أن هذاالعنصر الذي يكوِّن مركبات كيميائية مع عناصر أخرى قليلة (مثل الهيدروجين ،والأكسجين ، والنيتروجين) أكثر مما تكونه باقي العناصر الأخرى مجتمعة والتي يزيدعددها عن المائة ، يوجد في صورتين نقيتين فقط هما الماس والجرافيت . وفي الماس تكونكل ذرة كربون محاطة بأربع ذرات أخرى من الكربون أيضا فتكوِّن شبكة ثلاثية الأبعاد ،بينما في الجرافيت تكون كل ذرة كربون مجاورة لثلاث ذرات كربون أخرى في نفس المستوىمما يؤدي إلى تكون رقيقة تشبه سلك المزرعة ذو الفتحات الواسعة . وتكون رقائقالجرافيت تلك مقترنة ببعضها بطريقة غير متماسكة وتنزلق بسهولة مما يعطيها ملمساناعماً .


وفي الماس يكون لكل ذرة كربون أربع روابط أما في الجرافيتفيهبط العدد إلى ثلاثة ، وإذا تكونت وصلتان فقط تنتج سلسلة من ذرات الكربون .

وقد ظهر الدليل على وجود السلاسل الكربونية القابلة للكسرفي فترة الأربعينيات من القرن الماضي من خلال التجارب التي أجراها أوتوهان ، وكانهذا الاكتشاف يمثل بالنسبة له الجانب غير المطلوب أثناء محاولاته لتصنيع ذرات أكبروأضخم بإضافة نيوترونات إلى الذرات الأصغر. وكان هان مهتما بالكشف عن الفروقالصغيرة في الوزن بين بعض ذرات العناصر الثقيلة التي يقوم بتبخيرها في قوس كربوني . وأثناء مشاهدته لتلك النتائج ، لاحظ أن القوس أنتج أيضا سلاسل من الكربون كان لها – بالصدفة البحتة – نفس الوزن الجزيئي للمعدن . وقد استعمل هان أقطابا أخرى (مصنوعةمن معادن غير الكربون) ، وسجل حدوث سلاسل الكربون في ملحوظة في نهاية تقريره ثمواصل بحثه الرئيسي . ولم تتم متابعة النتائج التي توصل إليها بشأن سلاسل الكربونبعده مباشرة ، ولذا فقد تأخر اكتشاف C60 لسنوات عديدة.

السلاسل فيالفضاءظهر في السبعينيات من القرن الماضي فرعان جديدان في الكيمياء أولهماهو الكيمياء الفلكية الفيزيائية وثانيهما علم العنقوديات, وقد فتح هذان الفرعانالباب لبعض الاكتشافات المثيرة بمساعدة علم الفلك المعتمد الذي يعتمد على الموجاتاللاسلكية . حيث يمكن استغلال الإشارات اللاسلكية الناتجة من السحب الكبيرة التيتحمل ملايين الأطنان من الغاز في المسافات بين النجوم في الكشف عن الجزيئات . وقدوجد الباحثون أيضا جزيئات غريبة لم يتم تصنيعها في المعمل ! وفي نفس الوقت ، أدتطرق جديدة لتكوين تجمعات الذرات والكشف عنها معمليا ، وارتبطت هذه التجمعات ببعضهابطرق جديدة أدت إلى ظهور فئة جديدة من الجزيئات تسمى الجزيئات العنقودية وعلى وجهالتحديد ، تمثل الجزيئات العنقودية مرحلة انتقالية بين الجزيئات والمواد الصلبة ،وتعكس خواصها تلك الصفات بقوة . ويمكن اعتبار السلاسل والتجمعات الأخرى لذراتالكربون كجزيئات عنقودية .

وفي سسيكس في إنجلترا ، كان هاري كروتو وديفوالتون يكوِّنان سلاسل كربونية طويلة تنتهي بالهيدروجين عند أحد طرفيها والنيتروجينعند الطرف الآخر . وقد وجدا أن الأنماط الطيفية لتلك المواد تطابق قمم امتصاصوانبعاث معينة تشاهد في السحب الغازية الكبيرة في مجرتنا التي تسمى بالطريق اللبني . وقد اكتشفا أيضا إشارات من تلك السحب تشير إلى وجود سلاسل كربونية أطول من تلكالتي يستطيعون تصنيعها في المعمل .
وكان تركيز تلك الجزيئاتالطويلة أعلى مما يتوقعه أي إنسان . وقد تعجب العالمان بشأن مصدر تلك الإشارات . وكان أحد التفسيرات الممكنة يكمن في النجوم ، التي تولد طاقتها بدمج العناصرالخفيفة (مثل الهيدروجين) في عناصر اثقل . ويمكن أن تكون النجوم صغيرة وفي هذهالحالة تسمى الأقزام البيضاء ، أو يمكن أن تكون كبيرة ، وفي هذه الحالة تسمىالعمالقة الحمراء . وتقع شمسنا بين هاتين الحالتين . وفي النهاية تم العثور علىمصدر سلاسل الكربون الطويلة تلك في نجوم كربونية باردة من نوع العملاق الأحمر ،والتي اختفى منها الهيدروجين وهي الآن "تحرق" ذرات الهيليوم ثم يتم الإلقاء بهذاالكربون إلى الحيز الموجود بين النجوم .

[سيد عثمان]

وهكذا زال الاعتقاد القديم الذييقول بأن الكربون يوجد في الطبيعة في صورتي الجرافيت والماس فقط .

العناقيدوالكُراتأخيراً ، وفي عام 1985 أقنع كروتو زميله الأمريكي ريك سمولي ، بأنيشترك معه في مشروع لانشاء نموذج لمحاكاة الظروف الموجودة في مثل تلك النجومالمسماة بالعمالقة الحمراء في المعمل.

وفي الآلة التي استخدمها سمولي يقومجهاز ليزر قوي بتبخير قطعة صغيرة من الجرافيت لتتحول إلى سحابة ساخنة من الجسيماتالتي يتم تبريدها باستخدام تيار من غاز الهيليوم ، مما يسمح للذرات بالتكثف على شكلعناقيد . وتم تحليل الخليط باستخدام جهاز حساس جداً يسمى مقياس طيف الكتلة ، وقدأوضح هذا الجهاز وجود عدد كبير من الجزيئات كتلتها 720 وكانت العناصر الوحيدةالموجودة هي الهليوم والكربون . وحيث أن الهليوم هو عنصر خامل تماماً ، فقد كانالاستنتاج أن تلك الجزيئات الكبيرة يجب أن تكون مصنوعة من 60 ذرة على الرسم الناتجمن مقياس طيف الكتلة قوية جداً، وأكبر من القمم الأخرى المجاورة ، مما يعني أن جزئ C60 يمكن أن يتكوَّن وأن يظل باقيا في ذلك الوسط ذي الطاقة العالية لمقياس طيفالكتلة ، حيث تتكسر العديد من الجزيئات الأخرى (تنشظي) بطرق مميزة لكل منها ، ممايسمح بالتعرف عليها . وتعني تلك السحابة شيئا واحداً فقط ، وهو أن تجمُّع 60 ذرةكربون كان تجمُّعاً ثابتاً بدرجة غير عادية .

الباحثين واجهواموقفا محيراً : فقد أعطت قياسات طيف الكتلة دليلا واضحاً على وجود C60 ، ولكنالكميات المكتشفة كانت قليلة إلى درجة لا تسمح بإجراء تحليل لاكتشاف البنيةالتركيبية . وبعد عدة أيام من المناقشات المشتركة والتفكير العميق تم التوصل إلىفرضية جميلة ولكنها محفوفة بالمخاطر : إن ذرات الكربون في الجزيء C60 ترتب نفسهالكي تشبه كرة القدم ونظراً لتماثلها التركيبي ، الذي يظهر دائما في الأشكال الفنيةلـ بكمنستر فولر ، قام العلماء بتسمية الجزيء باسمه ، والاسم الكيميائي المضبوطلهذا الجزيء صعب جداً* ! وعادة ما يتم اختصار بكمنستر فوليرين إلى الفوليرين أوالبكي بول . وقام الفريق بنشر اكتشافه في الجريدة العلمية ذائعة الصيت "Nature" . وكانت البنية المتماثلة للجزيء هي مجرد فرضية وكان من المهم الوصول إلى إثبات مباشرللتوزيع الهندسي للجزيء لإثبات أن هذا الأمر ليس محل شك .

وفي العقودالتالية ، قام بعض العلماء بتصنيع أقفاص كيميائية شديدة التماثل (تنتهي بذراتهيدروجين) ، وكان أكبرها هو الدوديكاهيدران H20 C20 ، وكان هناك العديد من خطواتالتفاعل التي يتم عبرها تحضير تلك الجزيئات (كل منها يؤدي إلى إنقاص الكمية التييتم الحصول عليها في النهاية) بحيث لم يحاول أحد تحضير جزيئات أكبر . وكان مجردتصور إمكانية التحضير الذاتي لجزيء أكبر من الدوديكا هيدران بثلاثة مرات بتسخينالجرافيت هو ضرب من الخيال ، إلا أنهكان سهلاً للغاية !

ولكنه كان حقيقيافي الواقع ، وكانت هناك كميات كبيرة من C60 على وشك أن يتم تصنيعها !

يقول علماء كيمياء في ايلينوي (الولايات المتحدة) ان أنزيما يعمل على تكسير الكحولفي الكبد يمكن استعماله لتدوير الكربون بدلا من ضخه في الجو. وقد ابتكر هؤلاءالعلماء طريقة فعالة لتحويل ثاني أكسيد الكربون وهو اعظم غازات ظاهرة الانحباسالحراري الى ميثانول باستعمال هذا الأنزيم.

هذه الطريقة التي ابتكرها باكولديف وروبين اوبرت في جامعة جنوب ايلينوي في كاربونديل تعمل على عكس اتجاه كيمياءالاحتراق. وهي تنطوي على وعد بان تكون طريقة عالية الفعالية في انتاج الميثانول وهووقود نظيف يمكن استعماله لتشغيل السيارات. وفوق ذلك، إذا كانت الطاقة المطلوبةلتشغيل هذه العملية آتية من مصادر لا تولد ثاني أكسيد الكربون، فهذا الوقود يمكنإنتاجه واستعماله من دون إضافة المزيد الى غازات الانحباس الحراري.

لانتاجالميثانول يوضع الأنزيم الكبدي وانزيمان بكتيريان آخران في مادة أشبه بالإسفنجيةتوضع بدورها في الماء. وعندما يمر ثاني أكسيد الكربون بالماء يحوله أحد الانزيمينالبكتيريين وهو Formate dehydrogenase على تحويل حامض النورميك الى فورمالدهايد. وفي النهاية يستكمل ديهايدروجيناز الكحول الذي يساعد الكبد في نزع سموم الكحول هذاالتفاعل بتحويل الفورمالدهايد الى ميثانول.

ولما كانت كل من هذه التفاعلاتقابلة للانقلاب سعى فريق ايلينوي من اجل توجيهها في الاتجاه الصحيح الى إضافة عنصررابع يطلق الكترونات تدعى النيكوتيناميد أدينين دينيوكليوتايد.

وكانتالمادة الاسفنجية الزجاجية هي مفتاح نجاح هذه العملية. فهي تحتوي ملايين المسامالمجهرية التي تعمل بصفتها مفاعلات دقيقة. وبخلط الانزيمات بالسائل الهلامي استطاعديف واوبرت بنجاح ان يحتبساها في هذه البنية.

وقال ديف: «عندما تتصلب تنحبسالانزيمات فلا تعود تستطيع الدخول أو الخروج لكن المواد المفاعلة الصغيرة تستطيع. وهكذا يمكن ان يدخل ثاني اكسيد الكربون والنيكوتيناميد وان يخرج الميثانول.

وحتى تكون العملية ممكنة عمليا، ينبغي تدوير النيكوتيناميد حتى يستعيدالالكترونات التي يضخها في الانزيمات. وقال ديف واوبرت ان هذا الامر ممكن اذا كانتالمادة الهلامية موصلة للكهرباء. ويقول اول كيرك من شركة «نوفر نورديسك» الدانماركية تصنع الانزيمات ان ذلك معقول. فالنيكوتيناميد باهظ الثمن، لكن تدويرهيتغلب على مشكلة الكلفة.

واذا استطاع ديف واوبريت حل جميع مشكلات هذاالاختراع يمكن عندئذ تدوير ثاني اكسيد الكربون الصادر عن محطات الطاقة. لكن ذلكيبقى بلا فائدة اذا كان ثاني اكسيد الكربون الناتج عن الطاقة المولدة لتدويرالنيكوتيناميد عاليا.